FR2654013A1 - Device for chemical reaction using gas phase homogeneous catalysis, especially a catalytic burner - Google Patents
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Abstract
Description
De manière générale, la présente invention concerne un dispositif de réaction chimique, ou réacteur chimique, par catalyse homogène en phase gazeuse. De manière particulière, l'invention concerne la combustion catalytique d'un gaz combustible, tel que le butane, et plus spécifiquement les brûleurs catalytiques à air induit, c'est-à-dire sans aération secondaire au niveau du catalyseur. Sous ce dernier aspect, l'invention s'intéresse aux appareils chauffants incorporant un tel brûleur catalytique, notamment du type portatif. In general, the present invention relates to a chemical reaction device, or chemical reactor, by homogeneous catalysis in the gas phase. In particular, the invention relates to the catalytic combustion of a combustible gas, such as butane, and more specifically to the induced air catalytic burners, that is to say without secondary aeration at the level of the catalyst. In this latter aspect, the invention relates to heating appliances incorporating such a catalytic burner, in particular of the portable type.
De manière à expliciter l'invention, cette dernière sera tout d'abord introduite, définie et décrite par référence aux appareils chauffants portatifs avec brûleur catalytique à air induit. Et ensuite, la présente invention sera généralisée à tout réacteur chimique par catalyse homogène en phase gazeuse, dont les brûleurs catalytiques décrits ci-après constituent un mode particulier. In order to explain the invention, the latter will first be introduced, defined and described with reference to portable heating devices with induced air catalytic burner. And then, the present invention will be generalized to any chemical reactor by homogeneous catalysis in the gas phase, of which the catalytic burners described below constitute a particular mode.
Selon le document FR-A-2 621 981, on a décrit un appareil chauffant avec brûleur catalytique, et plus précisément un fer à souder portatif, incorporant un réservoir rechargeable pour le gaz combustible. Un tel appareil comprend, dans le sens de circulation du gaz combustible
- un organe de contrôle d'un courant gazeux du gaz combustible sous pression, consistant en un moyen d'accouplement réversible et étanche avec une cartouche de gaz combustible sous pression
- un injecteur, éjectant un jet gazeux à partir du courant gazeux
- un tube de liaison, avec à son extrémité amont un moyen d'entraînement d'air primaire par le jet gazeux, pour former le mélange à brûler et transporter ce dernier vers l'extrémité aval de ce même tube
- un brûleur catalytique comportant un noyau ou substrat réfractaire, par exemple en céramique, traversé selon la direction de passage du mélange à brûler, de sa face d'entrée en relation avec l'extrémité aval du tube de liaison, à sa face de sortie évacuant les fumées de combustion, par une pluralité de canaux allongés chacun selon la direction de passage, dont la face interne est revêtue d'un catalyseur de combustion, tel que platine
- des moyens de répartition du mélange à brûler à la sortie du tube de liaison, consistant en une chicane ou bobine, disposée en vis-à-vis, et à distance de la face d'entrée du noyau réfractaire, agencée pour différencier au moins deux zones sectionnelles du brûleur, de révolution autour de son axe, étagées radialement de son axe vers sa périphérie, et assurant le passage de débits partiels respectivement différents du mélange à brûler ces zones sectionnelles sont respectivement, une zone axiale passant un débit partiel le plus important, une zone annulaire intermédiaire passant le débit partiel le plus faible, et une zone extérieure passant un débit partiel intermédiaire entre le débit le plus faible et le débit le plus important.According to document FR-A-2 621 981, a heating appliance with a catalytic burner has been described, and more precisely a portable soldering iron, incorporating a refillable tank for the combustible gas. Such an apparatus comprises, in the direction of circulation of the combustible gas
- a member for controlling a gaseous stream of pressurized combustible gas, consisting of a reversible and sealed coupling means with a cartridge of pressurized combustible gas
- an injector, ejecting a gas jet from the gas stream
- a connecting tube, with a primary air entrainment means at its upstream end by the gas jet, to form the mixture to be burned and transport it to the downstream end of this same tube
a catalytic burner comprising a refractory core or substrate, for example made of ceramic, traversed in the direction of passage of the mixture to be burned, from its inlet face in relation to the downstream end of the connecting tube, to its outlet face evacuating the combustion fumes, by a plurality of elongated channels each in the direction of passage, the internal face of which is coated with a combustion catalyst, such as platinum
- means for distributing the mixture to be burned at the outlet from the connecting tube, consisting of a baffle or coil, arranged opposite, and at a distance from the entry face of the refractory core, arranged to at least differentiate two sectional zones of the burner, of revolution around its axis, staggered radially from its axis towards its periphery, and ensuring the passage of respectively different partial flows of the mixture to be burned, these sectional zones are respectively, an axial zone passing a partial flow most important, an intermediate annular zone passing the lowest partial flow, and an outer zone passing an intermediate partial flow between the lowest flow and the largest flow.
Matériellement, ces zones sont obtenues en prévoyant dans la chicane une partie centrale ou axiale perforée, correspondant et déterminant la zone axiale du brûleur catalytique, une pluralité de découpes ou encoches périphériques, chacune en forme de V, correspondant et déterminant la zone extérieure du brûleur, et une partie pleine annulaire entre la perforation centrale et les découpes, déterminant derrière elle, dans sa trainée, la zone annulaire intermédiaire du même brûleur.Materially, these zones are obtained by providing in the baffle a perforated central or axial part, corresponding and determining the axial zone of the catalytic burner, a plurality of peripheral cutouts or notches, each in the shape of a V, corresponding and determining the external zone of the burner. , and a solid annular part between the central perforation and the cutouts, determining behind it, in its drag, the intermediate annular zone of the same burner.
En fonctionnement, à la sortie du tube de liaison, et en amont de la face d'entrée du noyau réfractaire, le mélange à brûler est divisé par passage au travers des moyens de répartition, ou chicane, en plusieurs veines gazeuses de vitesses différenciées, à savoir une première veine axiale de vitesse la plus importante, sortant de la partie centrale de la chicane, et passant dans la zone axiale du brûleur, une deuxième veine annulaire intermédiaire de vitesse la plus faible, mais non nulle, obtenue par entraînement du mélange à brûler derrière la partie pleine annulaire de la chicane, et passant dans la zone intermédiaire du brûleur, et une troisième veine annulaire extérieure de vitesse intermédiaire, sortant des encoches périphériques de la chicane, et passant dans la zone extérieure du brûleur.A la sortie du noyau réfractaire, et avant allumage du brûleur catalytique, ces veines donnent un flux gazeux sortant, ayant un profil de vitesse différencié selon la distance par rapport à l'axe du brûleur ; particulièrement, ce profil présente un creux de vitesse situé au voisinage de la face de sortie du noyau réfractaire, distribué selon une couronne intermédiaire à distance de l'axe du brûleur, correspondant et à la partie pleine de la chicane et à la zone intermédiaire dudit brûleur. C'est ce creux de vitesse qui permet d'accrocher sur ou au voisinage de la face de sortie du noyau réfractaire, une flamme nue temporaire échauffant ce dernier, et amenant le brûleur catalytique à sa température de fonctionnement en combustion catalytique. In operation, at the outlet of the connecting tube, and upstream of the entry face of the refractory core, the mixture to be burned is divided by passage through distribution means, or baffle, into several gas streams of differentiated speeds, namely a first axial vein of the highest speed, leaving the central part of the baffle, and passing through the axial zone of the burner, a second intermediate annular vein of the lowest speed, but not zero, obtained by entraining the mixture to be burned behind the solid annular part of the baffle, and passing through the intermediate zone of the burner, and a third external annular vein of intermediate speed, emerging from the peripheral notches of the baffle, and passing through the external zone of the burner. of the refractory core, and before ignition of the catalytic burner, these veins give an outgoing gas flow, having a differentiated speed profile salt the distance from the axis of the burner; in particular, this profile has a speed recess located in the vicinity of the exit face of the refractory core, distributed along an intermediate ring at a distance from the axis of the burner, corresponding both to the solid part of the baffle and to the intermediate zone of said burner. It is this hollow of speed which makes it possible to hang on or in the vicinity of the exit face of the refractory core, a temporary open flame heating the latter, and bringing the catalytic burner to its operating temperature in catalytic combustion.
Ceci étant, en fonctionnement catalytique, les brûleurs décrits précédemment présentent une durée de vie relativement faible, de l'ordre de 80 heures par exemple, ce qui représente un inconvénient majeur pour de nombreuses applications, par exemple le soudage, pour lesquelles l'appareil chauffant doit travailler sous forte charge thermique, par exemple de l'ordre de 100 W par cm2, et/ou en continu pendant des durées importantes. However, in catalytic operation, the burners described above have a relatively short life, of the order of 80 hours for example, which represents a major drawback for many applications, for example welding, for which the device heater must work under high thermal load, for example of the order of 100 W per cm2, and / or continuously for significant periods.
Un tel inconvénient limite la diffusion et l'utilisation des brûleurs catalytiques du type précité, c'est-à-dire appelés par la pratique "nid d'abeille", pour différents appareils professionnels ou domestiques portatifs, requérant une source de chaleur à forte densité d'énergie thermique sous un faible encombrement. Cet inconvénient oblige le concepteur ou fabricant de ces appareils à concevoir le brûleur catalytique comme une pièce de rechange, ou consommable, ce qui suppose soit le démontage puis remontage de l'appareil pour l'utilisateur, ce qui n'est pas toujours souhaitable, soit le retour de l'appareil vers le fabricant pour remplacer le brûleur catalytique.Such a drawback limits the distribution and the use of catalytic burners of the aforementioned type, that is to say called by practice "honeycomb", for various professional or domestic portable appliances, requiring a high heat source. thermal energy density in a small footprint. This drawback obliges the designer or manufacturer of these devices to design the catalytic burner as a spare or consumable part, which implies either dismantling and then reassembling the device for the user, which is not always desirable, or the return of the appliance to the manufacturer to replace the catalytic burner.
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients précités. Et l'invention a pour objet d'améliorer dans des proportions significatives la durée des brûleurs catalytiques du type défini précédemment, et faisant partie de tout appareil chauffant. The object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks. And the object of the invention is to improve significantly the duration of the catalytic burners of the type defined above, and forming part of any heating appliance.
Selon la présente invention, on a tout d'abord découvert que la résistance au vieillissement du brûleur catalytique ne dépend pas pour Iressentiel de la charge thermique du brûleur, mais est conditionnée principalement par les différentes températures de fonctionnement unitaire des différents canaux du noyau ou substrat réfractaire.Cette découverte s'appuie sur deux observations essentielles faites avec les brûleurs du type précité
a) pour un noyau réfractaire présentant en section un empilement quadrillé de canaux, les températures unitaires de fonctionnement croissent de l'extérieur vers l'intérieur ou axe du brûleur ; par exemple, elles sont de 10000 C pour les canaux à la périphérie du brûleur, dont la paroi échange directement de la chaleur avec l'extérieur, ou le corps métallique du brûleur, et de 13000 C pour le quatrième canal vers l'intérieur, ou axe du brûleur, séparé des canaux périphériques par des canaux intercalaires
b) en conséquence, ce sont les canaux axiaux, ou voisins de l'axe du brûleur, qui présentent les températures de fonctionnement les plus élevées ; et de fait, on observe souvent la destruction du noyau réfractaire par la fusion du noyau réfractaire dans cette zone.According to the present invention, it was first discovered that the resistance to aging of the catalytic burner does not essentially depend on the thermal load of the burner, but is mainly conditioned by the different unit operating temperatures of the different channels of the core or substrate. This discovery is based on two essential observations made with burners of the aforementioned type
a) for a refractory core having in section a gridded stack of channels, the unit operating temperatures increase from the outside towards the inside or axis of the burner; for example, they are 10,000 C for the channels at the periphery of the burner, the wall of which exchanges heat directly with the outside, or the metal body of the burner, and 13,000 C for the fourth channel towards the inside, or axis of the burner, separated from the peripheral channels by intermediate channels
b) consequently, it is the axial channels, or neighbors of the axis of the burner, which have the highest operating temperatures; and in fact, the destruction of the refractory nucleus is often observed by the fusion of the refractory nucleus in this zone.
A partir de ces observations, pour une même charge thermique donnée, il apparaît essentiel de limiter la température de fonctionnement des différents canaux du noyau réfractaire. Pour ce faire, de manière générale, l'invention propose d'agencer les moyens de répartition associés au brûleur catalytique, pour différencier dans ce dernier, d'une part au moins une zone sectionnelle relativement froide, en relation d'échange thermique avec au moins une paroi dissipatrice de chaleur, privilégiée, c'est-à-dire assurant le passage d'un débit partiel du mélange à brûler, représentant la majorité voire la totalité du débit d'alimentation de ce dernier, et d'autre part au moins une zone sectionnelle relativement chaude, relativement isolée thermiquement de ladite paroi dissipatrice, assurant le passage d'un débit partiel complémentaire du mélange à brûler, donc minoritaire, voire nul, lorsque par exemple la zone relativement chaude en question est obturée ou pleine. From these observations, for the same given thermal load, it appears essential to limit the operating temperature of the different channels of the refractory core. To do this, in general, the invention proposes to arrange the distribution means associated with the catalytic burner, in order to differentiate in the latter, on the one hand at least one relatively cold sectional zone, in heat exchange relation with at minus a preferred heat dissipating wall, that is to say ensuring the passage of a partial flow of the mixture to be burned, representing the majority or even all of the feed flow of the latter, and on the other hand to the minus a relatively hot sectional zone, relatively thermally insulated from said dissipating wall, ensuring the passage of a complementary partial flow of the mixture to be burned, therefore a minority, or even zero, when for example the relatively hot zone in question is closed or full.
Le principe général énoncé précédemment peut être mis en pratique selon différentes directions, parmi lesquelles on peut citer les réalisations principales suivantes
1) Les zones sectionnelles relativement chaudes peuvent être pleines, ou obturées par tout ou partie du moyen de répartition, moyennant quoi la totalité du mélange à brûler passe dans la ou les zones relativement froides, chaque dite zone étant en relation d'échange thermique avec au moins une paroi dissipatrice de chaleur.The general principle stated above can be put into practice in different directions, among which the following main achievements can be mentioned
1) The relatively hot sectional zones can be full, or closed by all or part of the distribution means, whereby the entire mixture to be burned passes through the relatively cold zone or zones, each said zone being in heat exchange relationship with at least one heat dissipating wall.
2) Ces zones sectionnelles peuvent avoir individuellement tout profil approprié, rond, circulaire, carré, etc... ; préférentiellement, ces zones ont une forme de révolution, par exemple cylindrique ou annulaire, autour de l'axe de révolution ou de symétrie du noyau réfractraire, et dans ce cas, elles peuvent être distribuées ou étagées de l'axe vers la périphérie du noyau, ou inversement ; ces zones peuvent être matérialisées par une partition correspondante du noyau réfractaire, ou déterminées dans ce dernier par l'écoulement du mélange à brûler, généré en amont ou en aval par le moyen de répartition, chicane par exemple. 2) These sectional areas can individually have any appropriate profile, round, circular, square, etc ...; preferably, these zones have a form of revolution, for example cylindrical or annular, around the axis of revolution or of symmetry of the refractory core, and in this case, they can be distributed or stepped from the axis towards the periphery of the core , Or vice versa ; these zones can be materialized by a corresponding partition of the refractory core, or determined in the latter by the flow of the mixture to be burned, generated upstream or downstream by the distribution means, baffle for example.
3) La paroi dissipatrice de châleur peut être située à l'intérieur du noyau, par exemple sous la forme d'un ou plusieurs conduits internes de circulation indépendante d'air de refroidissement, selon la direction de passage du mélange à brûler, ou à l'extérieur du noyau, par exemple sous la forme d'une paroi périphérique métallique de contour du noyau réfractaire dans le cas où la paroi dissipatrice de chaleur a l'axe du noyau pour axe de symétrie, les zones sectionnelles ménagées dans le brûleur ont également une forme symétrique par rapport audit axe, par exemple annulaire ou cylindrique ; dans ce dernier cas, la zone sectionnelle relativement froide est située selon une zone annulaire extérieure, pour une paroi dissipatrice extérieure, cylindrique par exemple, et selon une zone annulaire intérieure, %r ] 4n## e;L et axiale par #e, pu une paroi dissipatrice iriieure; dans le premier cas, la zone relativement chaude est axiale ou intérieure, et dans le second cas extérieure. 3) The heat dissipating wall can be located inside the core, for example in the form of one or more internal conduits for independent circulation of cooling air, depending on the direction of passage of the mixture to be burned, or to the outside of the core, for example in the form of a metallic peripheral wall surrounding the refractory core in the case where the heat dissipating wall has the axis of the core for axis of symmetry, the sectional zones formed in the burner have also a shape symmetrical with respect to said axis, for example annular or cylindrical; in the latter case, the relatively cold sectional zone is situated along an external annular zone, for an external dissipating wall, cylindrical for example, and according to an internal annular zone,% r] 4n ## e; L and axial through #e, pu a dissipative wall iriieure; in the first case, the relatively hot zone is axial or internal, and in the second external case.
4) Le substrat réfractaire peut avoir toute forme appropriée, plus ou moins épaisse selon la direction de passage du mélange à brûler, dès lors qu'il permet de différencier selon la définition générale de la présente invention, une face d'entrée recevant le mélange à brûler, et une face de sortie évacuant les fumées de combustion, avec plusieurs canaux ou chemins de circulation du mélange à brûler entre la face d'entrée et la face de sortie ; d'un côté il peut s'agir d'un noyau réfractaire, du type nid d'abeille, donc présentant une certaine épaisseur ou largeur, et de l'autre côté, d'un simple tissu réfractaire, relativement peu épais, tel que décrit dans la demande de brevet français N0 89 10 795 du 07/08/1989, au nom de la
Demanderesse, dont le contenu est incorporé à la présente en tant que de besoin.4) The refractory substrate may have any suitable shape, more or less thick depending on the direction of passage of the mixture to be burned, since it makes it possible to differentiate according to the general definition of the present invention, an inlet face receiving the mixture to be burned, and an outlet face discharging the combustion fumes, with several channels or paths for circulation of the mixture to be burned between the inlet face and the outlet face; on one side it can be a refractory core, of the honeycomb type, therefore having a certain thickness or width, and on the other side, a simple refractory fabric, relatively thin, such as described in French patent application N0 89 10 795 of 07/08/1989, in the name of the
Applicant, the content of which is incorporated herein as necessary.
Grâce à l'invention, par un protocole expérimental relativement simple, et comme précédemment avec un noyau réfractaire présentant en section un empilement quadrillé de canaux, si on obture la zone axiale du brûleur, alors la température de fonctionnement d'un quatrième canal vers l'intérieur se trouve limitée à 11000 C environ, au lieu de 13000 C comme précédemment observe. Thanks to the invention, by a relatively simple experimental protocol, and as previously with a refractory core having in section a grid stack of channels, if the axial zone of the burner is closed, then the operating temperature of a fourth channel towards l he interior is limited to approximately 11,000 C, instead of 13,000 C as previously observed.
Tout ceci contribue à un meilleur vieillissement du brûleur catalytique. Et de fait, toutes choses égales par ailleurs, on observe que les moyens spécifiques à l'invention permettent de porter la durée de vie des brûleurs concernés, au-delà de 200 heures, au lieu des 80 heures précédemment notées pour un brûleur selon le document FR-A2 621 981. All this contributes to better aging of the catalytic burner. And in fact, all other things being equal, it is observed that the means specific to the invention make it possible to extend the life of the burners concerned, beyond 200 hours, instead of the 80 hours previously noted for a burner according to the document FR-A2 621 981.
La présente invention présente encore les différentes variantes ou modes d'exécution suivants. The present invention also presents the following different variants or embodiments.
Tout d'abord, les moyens de répartition peuvent être disposés en amont ou en aval du noyau ou substrat réfractaire, selon le sens de circulation du mélange à brûler, dès lors qu'ils permettent de différencier l'écoulement du mélange à brûler selon différentes veines passant dans le noyau réfractaire, et déterminant dans ce dernier différentes zones correspondantes, à savoir selon l'invention, au moins une zone relativement froide
en échange thermique avec la paroi dissipatrice de châleur, et une zone
relativement chaude, relativement isolée par rapport à ladite paroi.First of all, the distribution means can be arranged upstream or downstream of the refractory core or substrate, depending on the direction of circulation of the mixture to be burned, since they make it possible to differentiate the flow of the mixture to be burned according to different veins passing through the refractory nucleus, and determining in the latter different corresponding zones, namely according to the invention, at least one relatively cold zone
in heat exchange with the heat sink wall, and an area
relatively hot, relatively isolated from said wall.
Comme précédemment, de la façon la plus simple mais non
exclusive, les moyens de répartition consistent en une chicane transversale,
disposée en vis-à-vis de la face d'entrée du noyau réfractaire, à distance ou
au contact de ce dernier, et comportant une partie pleine centrale ou
axiale, déterminant une zone sectionnelle axiale relativement chaude du
brûleur, et une partie ajourée annulaire ou périphérique, déterminant une
zone sectionnelle extérieure relativement froide du brûleur.As before, in the simplest way but not
exclusive, the distribution means consist of a transverse baffle,
arranged opposite the entry face of the refractory core, at a distance or
in contact with the latter, and comprising a solid central part or
axial, determining a relatively hot axial sectional area of the
burner, and an annular or peripheral perforated part, determining a
relatively cool external sectional area of the burner.
Selon un autre mode d'exécution important de l'invention, les
moyens de répartion sont intégrés au noyau réfractaire du brûleur cataly
tique. Pour ce faire, tout d'abvord les canaux du noyau précité peuvent être
différenciés, par exemple par leurs sections unitaires, pour déterminer
comme précédemment une zone axiale relativement chaude à débit relati
vement faible, et une zone extérieure relativement froide à débit relati
vement important. Ensuite, toujours dans le même but, on peut prévoir une
zone axiale pleine, et une zone extérieure, s'étendant de la zone axiale à la
périphérie du noyau réfractaire, sans subdivision transversale, c'est-à-dire
unitairement en position d'échange de chaleur avec l'extérieur, ou une paroi
métallique correspondante.According to another important embodiment of the invention, the
distribution means are integrated into the refractory core of the cataly burner
tick. To do this, first of all the channels of the abovementioned nucleus can be
differentiated, for example by their unit sections, to determine
as before a relatively hot axial zone with relative flow
low, and a relatively cold outside area with relatively low flow
really important. Then, always for the same purpose, we can provide a
solid axial zone, and an external zone, extending from the axial zone to the
periphery of the refractory core, without transverse subdivision, i.e.
individually in heat exchange position with the outside, or a wall
corresponding metal.
La présente invention est maintenant décrite par référence aux
dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un appareil
chauffant avec brûleur catalytique conforme à la présente invention, la
partie supérieure de cette figure montrant appareil accouplé à une
cartouche d'un gaz combustible sous pression, par exemple du butane, et la
partie inférieure montrant le même appareil, désaccouplé par rapport à la
cartouche
- la figure 2 représente, à échelle agrandie et en coupe axiale, le
brûleur catalytique faisant partie de l'appareil montré à la figure 1 ; ;
- la figure 3 représente une vue en coupe du brûleur catalytique,
selon la ligne III.III montrée à la figure 2
- la figure 4 représente une vue à échelle agrandie, en coupe selon
la ligne IV.IV de la figure 2, du moyen de répartition ou chicane associé au brûleur catalytique montré à la figure 2
- la figure 5 est une représentation schématique du brûleur cataly
tique conforme aux figures 1 à 4, explicitant le principe de fonctionnement du même brûleur
- la figure 6 représente une vue en perspective d'un noyau réfractaire faisant partie d'une autre forme de réalisation d'un brûleur catalytique selon l'invention.The present invention is now described with reference to
attached drawings, in which
- Figure 1 shows an axial sectional view of an apparatus
heater with catalytic burner according to the present invention, the
upper part of this figure showing device coupled to a
cartridge of a pressurized combustible gas, for example butane, and the
lower part showing the same device, uncoupled from the
cartridge
- Figure 2 shows, on an enlarged scale and in axial section, the
catalytic burner forming part of the apparatus shown in Figure 1; ;
FIG. 3 represents a sectional view of the catalytic burner,
along line III.III shown in Figure 2
- Figure 4 shows an enlarged view, in section along
line IV.IV of figure 2, of the distribution means or baffle associated with the catalytic burner shown in figure 2
- Figure 5 is a schematic representation of the cataly burner
tick according to Figures 1 to 4, explaining the operating principle of the same burner
- Figure 6 shows a perspective view of a refractory core forming part of another embodiment of a catalytic burner according to the invention.
De manière générale, l'appareil décrit ci-après est semblable à celui décrit dans le document FR-A-2621981, dont le contenu est intégré à la présente description en tant que de besoin. L'appareil décrit ci-après ne diffère de celui décrit dans le document FR-A-2 621 981 que par les moyens de répartition du mélange à brûler, associés au brûleur catalytique. In general, the device described below is similar to that described in document FR-A-2621981, the content of which is integrated into the present description as necessary. The apparatus described below differs from that described in document FR-A-2 621 981 only by the means for distributing the mixture to be burned, associated with the catalytic burner.
Conformément aux figures 1 à 5, un appareil chauffant conforme à la présente invention, consistant en un fer à souder portatif, comprend les éléments ou organes principaux suivants
- un corps (1)
- un moyen d'accouplement (2) du corps (1) avec une cartouche (3) de gaz combustible sous pression, par exemple du butane, équipée d'une valve de prélévement non représentée ; ce moyen d'accouplement conforme à celui décrit dans le document FR-A-2 407 423 permet, de manière réversible, d'une part de solidariser le corps (1) de l'appareil à la cartouche (3), et d'autre part d'ouvrir la valve de cette dernière, avec étanchéité par rapport à l'extérieur, entre la valve ouverte et le corps (1) ; comme indiqué ci-après, le moyen d'accouplement (2) sert en même temps d'organe de contrôle du courant gazeux sortant de la cartouche (3) ;
- un injecteur (4) éjectant un jet gazeux à partir du courant de gaz combustible circulant dans le corps (1)
- un tube de liaison (5) continu et étanche, avec à son extrémité en amont, au niveau de l'injecteur (4), un moyen (6) d'entraînement d'air primaire ; dès lors, se trouve transporté vers l'extrémité aval du tube (5) un mélange à brûler, constitué du gaz combustible sous pression et de l'air primaire induit
- des moyens (70) de répartition du mélange à brûler, disposés et associés en amont du brûleur catalytique (8) défini ci-après ; ces moyens sont disposés à l'extrémité aval du tube de liaison (5);
- le brûleur catalytique (8) proprement dit, dont entrée communique donc avec la sortie de l'injecteur (4), par le tube de liaison (5)
- un capuchon (9) métallique, pourvu d'orifices d'évacutation (9a) des gaz brûlés, fermant la sortie du brûleur catalytique (8);
- une panne à souder (10), solidaire et montée sur le capuchon métallique (9).According to Figures 1 to 5, a heating device according to the present invention, consisting of a portable soldering iron, comprises the following main elements or members
- a body (1)
- A coupling means (2) of the body (1) with a cartridge (3) of pressurized combustible gas, for example butane, equipped with a sampling valve not shown; this coupling means in accordance with that described in document FR-A-2 407 423 makes it possible, reversibly, on the one hand to secure the body (1) of the device to the cartridge (3), and on the other hand to open the valve of the latter, with sealing with respect to the outside, between the open valve and the body (1); as indicated below, the coupling means (2) serves at the same time as a member for controlling the gas flow leaving the cartridge (3);
- an injector (4) ejecting a gas jet from the stream of combustible gas circulating in the body (1)
- a continuous and sealed connection tube (5), with its upstream end, at the injector (4), a means (6) for driving primary air; therefore, there is transported to the downstream end of the tube (5) a mixture to be burned, consisting of pressurized combustible gas and induced primary air
- Means (70) for distributing the mixture to be burned, arranged and associated upstream of the catalytic burner (8) defined below; these means are arranged at the downstream end of the connecting tube (5);
- the catalytic burner (8) proper, whose inlet therefore communicates with the outlet of the injector (4), via the connection tube (5)
- a metal cap (9), provided with exhaust gas outlets (9a), closing the outlet of the catalytic burner (8);
- a soldering tip (10), integral and mounted on the metal cap (9).
Tous les éléments et organes précédents ont été introduits successivement, en suivant le sens de circulation du gaz combustible à partir de la cartouche (3). All of the above elements and members have been introduced successively, following the direction of flow of the combustible gas from the cartridge (3).
Le corps (1) a une forme creuse, présentant une symétrie de révolution par rapport à l'axe, et différentes sections de diamètres décroissants de l'extrémité amont vers l'extrémité aval, en suivant le sens de circulation du gaz combustible. The body (1) has a hollow shape, having a symmetry of revolution with respect to the axis, and different sections of decreasing diameters from the upstream end to the downstream end, following the direction of flow of the combustible gas.
Le tube de liaison (5) est vissé sur le corps (1). Son profil interne est relativement large, au niveau des ouvertures radiales (6) d'arrivée d'air primaire, rétréci en aval de ces dernières, puis se réélargit vers la sortie ou extrémité aval du tube (5). Ce profil interne, par effet venturi, permet d'induire et d'entraîner de l'air primaire, par les ouvertures (6), et de mélanger celui-ci avec le jet de gaz combustible éjecté de l'injecteur (4). The connecting tube (5) is screwed onto the body (1). Its internal profile is relatively wide, at the level of the primary air inlet radial openings (6), narrowed downstream of the latter, then widens towards the outlet or downstream end of the tube (5). This internal profile, by venturi effect, makes it possible to induce and entrain primary air, through the openings (6), and to mix it with the jet of combustible gas ejected from the injector (4).
En dehors des ouvertures (6), ce tube de liaison (5) est complètement continu et étanche par rapport à l'extérieur. Une bague de réglage (27) est montée mobile en rotation sur la partie inférieure du tube (5), et permet d'obturer partiellement les orifices (6) d'entraînement d'air primaire, en particulier au moment de l'allumage de l'appareil. Outside the openings (6), this connecting tube (5) is completely continuous and sealed relative to the outside. An adjustment ring (27) is mounted so as to be able to rotate on the lower part of the tube (5), and makes it possible to partially close the primary air drive orifices (6), in particular when the the device.
Un raccord (17) est disposé à l'extrémité aval du tube de liaison (5), par exemple par vissage. Le moyen (70) de répartition est disposé axialement dans un logement transversal (17a) prévu dans le raccord (17). A connector (17) is arranged at the downstream end of the connecting tube (5), for example by screwing. The distribution means (70) is disposed axially in a transverse housing (17a) provided in the connector (17).
Ce moyen (70) consiste en une chicane ou bobine (7) avec bouchon (50), disposés transversalement par rapport à l'axe de l'appareil, en regardde la face d'entrée (18a) du noyau réfractaire (18) dont il sera question ci-après.This means (70) consists of a baffle or coil (7) with plug (50), arranged transversely relative to the axis of the device, opposite the entry face (18a) of the refractory core (18), it will be discussed below.
Conformément à la figure 4, cette bobine (7) comporte une partie centrale ou axiale perforée (7a), obturée par un bouchon (50) dont la tête (50a) est en appui et au contact de la face d'entrée (18a) du noyau réfractaire (18), une pluralité d'échancrures périphériques (7b), délimitées par des ailes radiales (7d), et - une partie pleine annulaire (7c) entre la perforation centrale (7a) et les encoches (7b). Bien entendu, l'ensemble chicane (7)/bouchon (50) peut être réalisé de manière monobloc. According to FIG. 4, this coil (7) has a perforated central or axial part (7a), closed by a plug (50) whose head (50a) is in contact and in contact with the input face (18a) of the refractory core (18), a plurality of peripheral notches (7b), delimited by radial wings (7d), and - a solid annular part (7c) between the central perforation (7a) and the notches (7b). Of course, the baffle assembly (7) / plug (50) can be made in one piece.
Le brûleur catalytique (8) est délimité par une paroi métallique extérieure (19), ayant une forme de révolution autour de l'axe de l'appareil, vissée d'un côté sur le raccord (17), et formant de l'autre côté le capuchon (9) défini précédemment. Cette paroi (19) permet de dissiper de la châleur à l'extérieur du noyau (18). The catalytic burner (8) is delimited by an external metal wall (19), having a shape of revolution around the axis of the appliance, screwed on one side to the connector (17), and forming on the other side of the cap (9) defined above. This wall (19) dissipates heat outside the core (18).
La paroi (19), avec le raccord (17) forment un logement pour le noyau (18) en matériau réfractaire, par exemple en céramique, ayant une structure en nid d'abeille. Par conséquent, le noyau (18) est traversé, selon la direction du mélange à brûler, de sa face d'entrée (18a) à sa face de sortie (18b), par une pluralité de canaux (18c) de section carrée, dont la surface interne est revêtue par un catalyseur de combustion. The wall (19), with the connector (17) form a housing for the core (18) of refractory material, for example ceramic, having a honeycomb structure. Consequently, the core (18) is traversed, in the direction of the mixture to be burned, from its inlet face (18a) to its outlet face (18b), by a plurality of channels (18c) of square section, of which the internal surface is coated with a combustion catalyst.
Le capuchon (9) est solidaire de la paroi (19) du brûleur catalytique (8) et les gaz de combustion sont évacués par les orifices (9a). Ce capuchon ferme donc la sortie (18b) du brûleur catalytique. La panne à souder (10) est montée par emmanchement dans un orifice axial du capuchon (9). The cap (9) is integral with the wall (19) of the catalytic burner (8) and the combustion gases are evacuated through the orifices (9a). This cap therefore closes the outlet (18b) of the catalytic burner. The soldering tip (10) is mounted by fitting into an axial hole in the cap (9).
Le fonctionnement d'un dispositif ou appareil tel que précédemment décrit est le suivant. The operation of a device or apparatus as previously described is as follows.
Tout d'abord, une cartouche (3) est accouplée à l'appareil avec le moyen d'accouplement (2) conforme au document FR-A-2 407 423. Dès lors, la valve de la cartouche (3) est ouverte, et un chemin étanche est établi entre l'intérieur de la cartouche, par la valve ouverte, et l'intérieur du corps (1). Aucun autre organe de réglage du courant gazeux issu de la cartouche (3) n'est prévu, l'appareil fonctionnant en tout ou rien : c'est l'accouplement avec la cartouche qui établit la circulation d'un courant gazeux vers le brûleur catalytique (8), et inversement, c'est le désaccouplement qui interrompt cette circulation, la valve de la cartouche servant de clapet d'ouverture et de fermeture de l'ensemble appareil/cartouche. First, a cartridge (3) is coupled to the device with the coupling means (2) in accordance with document FR-A-2 407 423. Consequently, the valve of the cartridge (3) is open, and a sealed path is established between the interior of the cartridge, through the open valve, and the interior of the body (1). No other device for adjusting the gas stream from the cartridge (3) is provided, the device operating in all or nothing: it is the coupling with the cartridge which establishes the circulation of a gas stream towards the burner. catalytic (8), and conversely, it is the uncoupling which interrupts this circulation, the valve of the cartridge serving as an opening and closing valve of the device / cartridge assembly.
Une fois la cartouche accouplée à l'appareil, le jet gazeux issu de l'injecteur (4) entraîne l'air induit par les ouvertures (6), pour constituer un mélange homogène à brûler, circulant par le conduit (5), de son extrémité amont à son extrémité aval, vers le moyen de répartition (70) et le brûleur catalytique (8). Once the cartridge is coupled to the device, the gas jet coming from the injector (4) entrains the air induced by the openings (6), to constitute a homogeneous mixture to burn, circulating through the conduit (5), its upstream end at its downstream end, towards the distribution means (70) and the catalytic burner (8).
Comme montré à la figure 5, le moyen de répartition selon l'invention permet de différencier dans le noyau réfractaire, deux zones sectionnelles (18c) et (18d) du brûleur, de révolution autour de son axe (80), successives radialement de son axe vers sa périphérie, et assurant le passage de débits partiels respectivement différents du mélange à brûler. Ces deux zones sont respectivement, une zone axiale (18d) de contour cylindrique, située dans la trainée de la tête (50a) du bouchon (50), dans laquelle passe un débit minimum, voire nul du mélange à brûler, et une zone extérieure (18c) de contour tubulaire, située dans la trajectoire de la veine gazeuse traversant les échancrures (7b) de la rondelle (7), dans laquelle passe la majorité, sinon la totalité du débit du mélange à brûler.En conséquence, à la sortie du brûleur (8), du côté de la face de sortie (18b), on obtient un profil transversal de vitesse du mélange à brûler, représenté à la figure 5 par un trait mixte (81), et différencié, c'est-à-dire présentant deux pics (81a) correspondant à la zone extérieure (18c), et un creux (8 lob) entre les deux pics (81a), situé sur ou au voisinage de la face de sortie (18b) du noyau réfractaire (18), correspondant à la zone axiale (18d). Bien entendu, ce profil présente une forme de révolution autour de l'axe (80). As shown in FIG. 5, the distribution means according to the invention makes it possible to differentiate in the refractory core, two sectional zones (18c) and (18d) of the burner, of revolution around its axis (80), successively radially of its axis towards its periphery, and ensuring the passage of partial flow rates respectively different from the mixture to be burned. These two zones are respectively, an axial zone (18d) of cylindrical contour, located in the drag of the head (50a) of the plug (50), through which passes a minimum or even zero flow of the mixture to be burned, and an external zone (18c) of tubular contour, located in the trajectory of the gas stream passing through the notches (7b) of the washer (7), through which the majority, if not all, of the flow of the mixture to be burned passes. from the burner (8), on the side of the outlet face (18b), a transverse speed profile of the mixture to be burned is obtained, represented in FIG. 5 by a dashed line (81), and differentiated, that is to say -display having two peaks (81a) corresponding to the outer zone (18c), and a recess (8 lob) between the two peaks (81a), located on or near the outlet face (18b) of the refractory core (18 ), corresponding to the axial zone (18d). Of course, this profile has a shape of revolution around the axis (80).
Au moment de l'allumage, grâce au profil (81) des vitesses de sortie du mélange à brûler à la sortie du brûleur catalytique (8), par les mêmes mécanismes de combustion que ceux décrits dans le document
FR-A-2 621 981, il est possible d'allumer une flamme (22), représentée en traits pleins à la figure 5, de profil similaire au profil de vitesse. La partie centrale ou axiale de la flamme (22b) s'accroche sur ou au voisinage de la face de sortie (18b) du noyau réfractaire, tandis que la partie annulaire (22a) se forme à distance de cette même face de sortie.At the time of ignition, thanks to the profile (81) of the exit speeds of the mixture to be burned at the exit of the catalytic burner (8), by the same combustion mechanisms as those described in the document
FR-A-2 621 981, it is possible to light a flame (22), shown in solid lines in FIG. 5, with a profile similar to the speed profile. The central or axial part of the flame (22b) hooks onto or in the vicinity of the exit face (18b) of the refractory core, while the annular part (22a) is formed at a distance from this same exit face.
Dès que cette flamme (22) apparaît, c'est alors que le corps réfractaire (18) s'échauffe, jusqu'à atteindre une température de mise en régime du catalyseur de combustion. Cet échauffement s'effectue d'abord au niveau de la surface centrale sur la face de sortie (18b) délimitée par la zone centrale (18d), pour y amorcer la combustion catalytique. Puis la réaction ainsi amorcée diffuse à la fois vers la face d'entrée (18a), et radialement dans la zone extérieure (18c), du noyau (18). Puis une fois la combustion catalytique complètement démarrée, le mélange gazeux est brûlé sans flamme au sein du brûleur catalytique (8), de telle sorte que la flamme (22) s'éteint, l'utilisateur ayant l'impression que cette flamme (22) rentre à l'intérieur du brûleur catalytique (8).Dès ce moment, le capuchon (9) est alors porté, avec la panne (10), à une température de travail convenable, ce qui permet à l'utilisateur de travailler avec l'appareil. As soon as this flame (22) appears, it is then that the refractory body (18) heats up, until reaching a temperature at which the combustion catalyst starts up. This heating takes place first at the level of the central surface on the outlet face (18b) delimited by the central zone (18d), in order to initiate the catalytic combustion. Then the reaction thus initiated diffuses both towards the entry face (18a), and radially in the external zone (18c), of the core (18). Then once the catalytic combustion has fully started, the gas mixture is burned without flame within the catalytic burner (8), so that the flame (22) goes out, the user having the impression that this flame (22 ) goes inside the catalytic burner (8). From this moment, the cap (9) is then brought, with the tip (10), to a suitable working temperature, which allows the user to work with the device.
Pendant le fonctionnement continu en régime catalytique, et pour les raisons déjà exprimées dans le préambule de la présente description, on peut différencier et distinguer dans le brûleur (8) deux zones de fonctionnement, la première centrale, (18d), de température relativement chaude et intérieure, puisque relativement isolée thermiquement de la paroi (19), et la seconde annulaire et extérieure (18c), de température relativement froide, puisqu'en relation d'échange thermique avec la paroi métallique (19). During continuous operation in catalytic mode, and for the reasons already expressed in the preamble to the present description, it is possible to differentiate and distinguish in the burner (8) two operating zones, the first plant, (18d), of relatively hot temperature. and interior, since relatively thermally insulated from the wall (19), and the second annular and exterior (18c), of relatively cold temperature, since in heat exchange relationship with the metal wall (19).
Comme l'essentiel de la combustion s'effectue dans la zone (18c), on favorise une bonne tenue ou résistance du noyau (18) en céramique réfractaire.As most of the combustion takes place in the zone (18c), good resistance or resistance of the core (18) of refractory ceramic is favored.
Conformément à la figure 6, on a représenté en perspective un noyau réfractaire faisant partie drun autre mode de réalisation d'un brûleur catalytique selon l'invention. Le noyau représenté à la figure 6 se différencie de celui représenté à la figure 3, par les caractéristiques essentielles suivantes
- la zone sectionnelle axiale (18d) relativement chaude est pleine, et la section restante du noyau est occupée en totalité par la zone sectionnelle extérieure (18c) relativement froide, s'étendant de la zone axiale précitée à la périphérie de noyau réfractaire, sans subdivision transversale
- cette zone extérieure (18c) est divisée par une pluralité de cloisons radiales (18e), en une pluralité de canaux radiaux (18f), s'élargissant chacun de la zone axiale (18d) vers la périphérie du noyau
Un tel mode de réalisation permet d'obtenir des canaux unitaires échangeant chacun directement de la chaleur avec l'extérieur du brûleur, par l'une des faces du prisme représenté en perspective à la figure 6. Ceci permet d'obtenir des performances encore améliorées, puisque d'une part la température maximale atteinte à l'intérieur de chaque canal (18f) est de l'ordre de 900 à 1000 , et d'autre part la durée de vie d'un tel brûleur est bien supérieure à 300 heures de fonctionnement.In accordance with Figure 6, there is shown in perspective a refractory core forming part of another embodiment of a catalytic burner according to the invention. The core shown in Figure 6 differs from that shown in Figure 3, by the following essential characteristics
- the relatively warm axial sectional area (18d) is full, and the remaining section of the core is entirely occupied by the relatively cold outer sectional area (18c) extending from the above-mentioned axial area to the periphery of the refractory core, without transverse subdivision
- this outer zone (18c) is divided by a plurality of radial partitions (18e), into a plurality of radial channels (18f), each widening from the axial zone (18d) towards the periphery of the core
Such an embodiment makes it possible to obtain unit channels each exchanging heat directly with the outside of the burner, by one of the faces of the prism shown in perspective in FIG. 6. This makes it possible to obtain even improved performance. , since on the one hand the maximum temperature reached inside each channel (18f) is of the order of 900 to 1000, and on the other hand the lifetime of such a burner is much greater than 300 hours Operating.
La présente invention décrite précédemment pour un brûleur catalytique peut recevoir application sur toutes sortes d'appareils chauffants, au rang desquels on peut citer
- certains appareils ménagers comme un fer à repasser
- des appareils destinés à la salle de bains, tels qu'un fer à friser, un sèche cheveux, etc...,
- et divers appareils de bricolage, tels que le fer à souder décrit précédemment, mais aussi un pistolet à air chaud par exemple.The present invention described above for a catalytic burner can be applied to all kinds of heating appliances, among which may be mentioned
- some household appliances such as an iron
- appliances intended for the bathroom, such as a curling iron, a hair dryer, etc ...,
- and various DIY devices, such as the soldering iron described above, but also a hot air gun for example.
Mais aussi, la présente invention peut être généralisée à tout réacteur chimique par catalyse homogène en phase gazeuse, avec les mêmes avantages que ceux décrits précédemment, à savoir augmenter la longévité du substrat ou noyau réfractaire supportant le catalyseur de la réaction chimique. But also, the present invention can be generalized to any chemical reactor by homogeneous catalysis in the gas phase, with the same advantages as those described above, namely increasing the longevity of the refractory substrate or core supporting the catalyst for the chemical reaction.
Pour passer de la définition du brûleur catalytique tel que défini précédemment, à un réacteur chimique selon la présente invention, il suffit de remplacer
- le terme "brûleur" par "dispositif de réaction chimique" ou "réacteur"
- le terme "combustion" par "réaction chimique"
- le terme "mélange à brûler", par "mélange gazeux soumis à la réaction chimique"
- le terme "fumées de combustion" par "produits gazeux de la réaction chimique
En définitive, le brûleur catalytique décrit précédemment ne constitue qu'un exemple parmi d'autres d'un réacteur chimique selon l'invention. To go from the definition of the catalytic burner as defined above, to a chemical reactor according to the present invention, it suffices to replace
- the term "burner" by "chemical reaction device" or "reactor"
- the term "combustion" by "chemical reaction"
- the term "mixture to be burned", by "gas mixture subjected to the chemical reaction"
- the term "combustion fumes" by "gaseous products of the chemical reaction
Ultimately, the catalytic burner described above is only one example among others of a chemical reactor according to the invention.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8914751A FR2654013B1 (en) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | DEVICE FOR CHEMICAL REACTION BY HOMOGENEOUS CATALYSIS IN THE GAS PHASE, IN PARTICULAR A CATALYTIC BURNER. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8914751A FR2654013B1 (en) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | DEVICE FOR CHEMICAL REACTION BY HOMOGENEOUS CATALYSIS IN THE GAS PHASE, IN PARTICULAR A CATALYTIC BURNER. |
Publications (2)
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| FR2654013A1 true FR2654013A1 (en) | 1991-05-10 |
| FR2654013B1 FR2654013B1 (en) | 1993-03-12 |
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Family Applications (1)
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| FR8914751A Expired - Fee Related FR2654013B1 (en) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | DEVICE FOR CHEMICAL REACTION BY HOMOGENEOUS CATALYSIS IN THE GAS PHASE, IN PARTICULAR A CATALYTIC BURNER. |
Country Status (1)
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